Disaininseneridele, kes hindavad elektriliste sukelsoojendite pikaajalist töökindlust-kõrge temperatuuriga tsüklilises-temperatuuri töös, on 316 roostevabast terasest ümbrise ja magneesiumoksiidi isolatsiooni liides kriitiline, kuid sageli tähelepanuta jäetud rikkekoht. Iga kuumutamistsükli ajal paisub 316 kest rohkem kui MgO, kuna soojuspaisumise koefitsient 316 (ligikaudu 17 × 10-⁶ / kraad) on ligikaudu kaks korda suurem kui tihendatud MgO (ligikaudu 9 × 10-⁶ / kraad). See diferentsiaalne paisumine tekitab nihkepingeid kesta{11}}MgO liideses. Tuhandete tsüklite jooksul võivad need pinged põhjustada sidemete eemaldamist, tühimike teket ja võimalikku takistustraadi ülekuumenemist. Mantli seina paksus mõjutab otseselt nende liideste pingete suurust, kuna paksemad seinad piiravad laienemist erinevalt kui õhukesed seinad. Selles artiklis kvantifitseeritakse seos 316 ümbrise seina paksuse ja soojuspaisumisest põhjustatud liidese pinge vahel, pakkudes valikujuhiseid suure tsükliga rakenduste jaoks.
Diferentsiaalse soojuspaisumise mehaanika kesta{0}}MgO liideses
Kui küttekeha on kokku pandud, tihendatakse MgO isolatsioon vastu 316 mantli sisepinda vajumisest tuleneva suure rõhu all. See loob liidese jääksurvepingega tiheda interferentsi. Kui küttekeha temperatuur tõuseb, laienevad mõlemad materjalid. 316 kest üritab laieneda radiaalselt väljapoole ja ümbermõõtu. Madalama paisumisteguriga MgO peab sellele laienemisele vastu. Tulemuseks on pindadevahelise survepinge vähenemine-või piisavalt kõrgel temperatuuril üleminek tõmbepingele ja pilude moodustumisele. Kriitiline temperatuur, mille juures pindadevaheline eraldumine toimub, sõltub esialgsest vajumisest tekkivast jääkpingest ja ümbrise seina jäikusest. Paksemal ümbrise seinal on suurem radiaalne jäikus, mis tähendab, et see talub paisumist tugevamalt ja säilitab liidese kontakti kõrgemate temperatuuridega. Vastupidi, õhukese seinaga ümbris on nõuetekohane ja võib madalamatel temperatuuridel võimaldada tühikute teket. Kui aga tühimik tekib, kogeb õhukese seinaga ümbris suuremat kohalikku paindepinget, kuna toetamata sein kaldub siserõhu või termiliste gradientide mõjul kõrvale.
Seina paksuse ja pindadevahelise pinge püsivuse kvantitatiivne seos
10 mm välisläbimõõduga 316 ümbrise lõplike elementide analüüs, mille MgO on tihendatud kuni 3,0 g/cm³, annab kvantitatiivsed prognoosid liidese pinge kohta seina paksuse ja temperatuuri funktsioonina. Toatemperatuuril pärast pügamist on pindadevaheline survepinge ligikaudu 30 MPa 1,0 mm seina paksuse korral, 45 MPa 1,5 mm seina ja 60 MPa 2,0 mm seina korral. Paksem ümbris salvestab rohkem jääksurumist, kuna libisemisprotsess edastab MgO-le suuremad jõud enne, kui kest plastiliselt järele annab. Temperatuuri tõustes väheneb pindadevaheline pinge lineaarselt temperatuuriga diferentsiaalpaisumise tõttu. Temperatuur, mille juures liidese pinge saavutab nulli -lahtinemistemperatuur-, on 1,0 mm seina puhul ligikaudu 280 kraadi, 1,5 mm seina puhul 340 kraadi ja 2,0 mm seina puhul 380 kraadi. Kütteseadmete puhul, mis töötavad maksimaalsel temperatuuril 400 kraadi, kogeb 1,0 mm kest pärast lahtiühendamist tõmbepindade pinget ligikaudu 5 MPa, samas kui 2,0 mm kest jääb kogu tsükli vältel kokkusurutuks. Kui liides muutub tõmbuvaks, kaob side kesta ja MgO vahel. Tekivad väikesed vahed, mis suurendavad soojustakistust takistustraadist kestani. Vahepiirkonnas olev MgO ei juhi enam tõhusalt soojust, luues kohaliku kuuma koha, mis võib kiirendada traadi oksüdatsiooni.
Liidese tsükliline väsimine ja sellest tulenev küttekeha lagunemine
Tsüklilise teeninduse korral põhjustab korduv üleminek survelt tõmbepinge liidese pingele-või kokkusurumiselt lahtiühendamisele-, mis põhjustab kesta-MgO liidese järkjärgulisi kahjustusi. 1,0 mm seinakatte puhul, mis töötab vahemikus 20 kraadi kuni 400 kraadi, kogeb liides ligikaudu 300 kraadi temperatuuri kõikumist. Iga tsükkel liigub kõrgest kokkusurumisest toatemperatuuril läbi nullpinge 280 kraadi juures kuni pingeni 400 kraadi juures. See tsükliline pinge ümberpööramine võib põhjustada liidese kulumist, tekitades MgO pulbrit, mis vähendab veelgi termilist kontakti. Pärast 1000 tsüklit võib liidese soojustakistus suureneda 20–40%, mis nõuab sama soojusvõimsuse säilitamiseks kõrgemat juhtmetemperatuuri. 2,0 mm seinakatte puhul, mis töötab samas temperatuurivahemikus, jääb liides kokkusurutuks kõigil temperatuuridel. Pinge varieerub 60 MPa kokkusurumisest toatemperatuuril kuni ligikaudu 10 MPa kokkusurumiseni 400 kraadi -alati positiivse kontaktrõhu juures. Ärritust ega tühimike teket ei esine. 316 ümbrisega küttekeha eksperimentaalne testimine, mis on allutatud 5000 tsüklile vahemikus 20 kraadi kuni 400 kraadi, näitavad, et 1,0 mm seinakatete soojustakistus suureneb 35% ja isolatsioonitakistus väheneb 15%. Sama test 2,0 mm seinakatetega näitab kummagi parameetri muutust alla 5%.
Soovitatav seinapaksus kõrge{0}}tsüklilise kõrge-temperatuuri rakenduste jaoks
Järgmises tabelis on toodud soovitatavad 316 ümbrise seinapaksused, mis põhinevad maksimaalsel töötemperatuuril ja eeldataval soojustsüklite arvul. Väärtused eeldavad standardset lõõmutamisprotsessi ilma-järgse lõõmutamiseta ja sihtkasutusiga ilma termilise jõudluse olulise halvenemiseta.
| Katte maksimaalne temperatuur | Eeldatavad soojustsüklid kasutusea jooksul | Soovitatav minimaalne seinapaksus 316 | Liidese seisukord maksimaalsel temperatuuril | Eeldatav soojustakistuse suurenemine pärast jalgrattasõitu |
|---|---|---|---|---|
| Kuni 250 kraadi | Suvaline number | 0,8 – 1,0 mm | Jääb kokkusurutavaks | vähem kui 5% |
| 250-300 kraadi | Vähem kui 1000 | 1,0 – 1,2 mm | Nullilähedane või kergelt tõmbuv | 5 – 10% |
| 250-300 kraadi | 1,000 – 5,000 | 1,2 – 1,5 mm | Jääb kokkusurutavaks koos veerisega | vähem kui 5% |
| 300-350 kraadi | Vähem kui 500 | 1,2 – 1,4 mm | Tipphetkel kergelt tõmbuv | 10 – 15% |
| 300-350 kraadi | 500 – 2,000 | 1,5 – 1,8 mm | Jääb kokkusurutavaks | vähem kui 5% |
| 350-400 kraadi | Vähem kui 500 | 1,6 – 2,0 mm | Tipphetkel kergelt tõmbuv | 10 – 20% |
| 350-400 kraadi | 500 – 2,000 | 2,0 – 2,5 mm | Jääb kokkusurutavaks | vähem kui 5% |
| Üle 400 kraadi | Suvaline number | Ei soovitata koos MgO-ga | Tõenäoline tühimiku tekkimine | Ettearvamatu |
Rakenduste puhul, mis nõuavad nii kõrget maksimaalset temperatuuri kui ka suurt tsüklite arvu, -nagu steriliseerimisseadmed või termotsüklilised ahjud-, on tungivalt soovitatav määrata 2,0 mm või paksem 316 kest. Eelmistes artiklites käsitletud paksu seina termilist karistust tuleb aktsepteerida kui liidese pikaajalise terviklikkuse{5}}kulu. Alternatiivina võivad insenerid määrata -järgse lõõmutamise etapi, mis vähendab jääkpingeid, kuid vähendab ka esialgset liidese kokkusurumist. Lõõmutatud 1,6 mm ümbris käitub liidese pinge püsivuse poolest sarnaselt lõõmutamata 1,2 mm ümbrisega. Valik sõltub sellest, kas rakendus eelistab soojuslikku efektiivsust või tsüklilist vastupidavust.
Disainistrateegiad õhukeste{0}}seinaga kestade liidese pinge leevendamiseks
Kui rakendus nõuab termilise reaktsiooni põhjustel õhukese -seinaga kesta alla 1,2 mm, kuid hõlmab ka termilist tsüklit kõrgetele temperatuuridele, võivad kolm konstruktsioonistrateegiat leevendada liidese lahtiühendamist. Esimene on monteerimise ajal kanda ümbrise-MgO liidesele õhuke kiht kõrge-soojusjuhtivusega-määret või pasta. Sellised materjalid nagu boornitriid{7}täidisega silikoonmäärded säilitavad temperatuuri tsüklite jooksul vastavuse ja täidavad kõik tekkinud tühimikud, säilitades termilise kontakti. Teine strateegia on kasutada kütteseadet minimaalse ooterežiimi temperatuuriga, mitte lasta tsüklite vahel täielikult jahtuda. Kui kütteseade töötab 150 kraadi ja 400 kraadi vahel, mitte 20 kuni 400 kraadi, väheneb liidese pinge kõikumine ligikaudu 50%. Kolmas strateegia on määrata sama seina paksuse jaoks väiksema välisläbimõõduga ümbris. 6 mm läbimõõduga 1,0 mm seinaga ümbrisel on suurem radiaalne jäikus kui 10 mm läbimõõduga ümbrisel sama 1,0 mm seinaga, kuna jäikus skaala läbimõõduga neljanda astmeni. Diameetri vähendamisega saab disainer saavutada õhukese seina soojusreaktsiooni eeliseid, säilitades samal ajal liidese kontakti kõrgemate temperatuuridega. Insenerid peaksid nõudma kütteseadmete tootjatelt liidese pingeanalüüsi, kui nad määravad õhukesed seinad kõrgel{23}}temperatuuri tsükliliseks teenuseks. Analüüs eeldab teadmisi vajumise vähendamise suhte, MgO tihendustiheduse ja eeldatava temperatuuriprofiili kohta. Tootja, kes ei suuda seda analüüsi esitada, ei suuda tõenäoliselt toota usaldusväärset kütteseadet nõudlike tsükliliste rakenduste jaoks.
